KR101776010B1 - 스테인리스강 적층 침목 구조 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테인리스강 적층 침목 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 복수의 스테인리스강 재질의 판재를 적층하여 목재와 강성 및 강도가 유사하고 기계적 특성의 신뢰성이 장시간 보장하면서도 가볍고 내구성이 뛰어나며 재활용이 가능하도록 하기 위해 스테인리스강 판재를 절곡하여 제작되어 적층되는 복수의 절곡코어와, 상기 복수의 절곡코어 사이에 삽입되어 일체로 결합되는 스테인리스강 판재로 이루어지는 고정판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 스테인리스강 적층 침목 구조 및 그 침목의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 스테인리스강 판재를 절곡하여 제작되어 적층되는 복수의 절곡코어와, 상기 복수의 절곡코어 사이에 삽입되어 일체로 결합되는 스테인리스강 판재로 이루어지는 고정판으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

스테인리스강 적층 침목 구조 및 그 제조 방법 {STAINLESS STEEL SLEEPER STRUCTURE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 스테인리스강 적층 침목 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 복수의 스테인리스강 재질의 판재를 적층하여 목재와 강성 및 강도가 유사하고 기계적 특성의 신뢰성이 장시간 보장하면서도 가볍고 내구성이 뛰어나며 재활용이 가능한 철도차량용 침목 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 침목은 철도에서 열차가 다니는 레일의 하부에 설치되는 것으로, 레일클립에 의해 레일이 체결되도록 구성되어 있다.

이와 같은 침목은 궤간을 일정하게 유지할 수 있도록 함과 동시에 레일로부터의 하중을 도상 등에 분포시키는 역할을 하는 것으로, 등록특허 제10-1203904호, 등록실용신안 제20-0390690호 등에 제안된 바와 같이 재질에 따라 목침목, 철침목 및 PC(콘크리트) 침목으로 구분되는데, 현재 국내 철도에서는 주로 목침목이 사용되고 있다.

우선 현재 주로 사용되고 있는 목(木)침목의 경우 체결 및 가공이 용이하고, 탄성이 좋아 완충성이 뛰어난 장점은 있으나, 부식 및 파손이 자주 발생하여 유지보수비용이 많이 들고, 내구성이 떨어진다는 문제점이 있었다.

특히, 목침목은 눈, 비 등에 장시간 노출되거나 수분 변화가 많은 환경에 장시간 노출되면 그 특성이 변화한다.

또한, 목재의 경우 수종, 함수율, 나이 등에 따라 기계적 특성의 산포가 크고, 이방성이 심하기 때문에 절단방향 등 기계가공방법의 선택에 따라서도 그 특성은 영향을 받게 된다.

도 1 및 도 2는 50여가지 수종(樹種)에 대한 압축강성과 압축강도를 하중방향별로 도시한 그래프이다. 좀 더 구체적으로 살펴보면 도 1a는 50여가지 수종에 대한 목재의 줄기방향 압축강성을 비교한 도면이고, 도 1b는 50여가지 수종에 대한 목재의 나이테/반지름 방향 압축강성을 비교한 도면이고, 도 2a는 50여가지 수종에 대한 목재의 줄기방향 압축강도를 비교한 도면이며, 도 2b는 50여가지 수종에 대한 목재의 나이테/반지름 방향 압축강도를 비교한 도면이다.

이에 의하면 목재의 줄기방향과 반지름방향간에는 약 10배정도의 기계적 특성의 차이가 있으며, 수종별로도 그 특성의 산포가 매우 심한 것을 알 수 있다.

또한, 동일한 목재에서조차도 건조방법에 따라 함수율에 영향을 미치기 때문에 일정한 기계적 특성을 기대하기가 어렵다.

물론, 상기 목침목의 단점을 해결하기 위하여 최근 들어 PC침목(콘크리트 침목)이 개발되어 목침목을 대체하고 있다. 그런데 PC침목의 경우 부식이 발생되지 않으므로 내구성이 뛰어나다는 장점은 있으나, 무거운 중량으로 취급 및 설치가 어렵고 레일과의 체결작업이 복잡하며, 균열 등의 부분적 파손이 발생될 가능성이 높을 뿐만 아니라 충격에 약하고 탄성력이 부족하다는 단점이 있다.

따라서, 이와 같은 종래의 침목들의 단점들을 해소할 수 있는 새로운 구조의 침목에 대한 개발이 요구된다.

참고문헌: 등록특허 제10-1203904호 참고문헌: 등록실용신안 제20-0390690호

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술들의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 다수의 스테인리스강 재질의 판재를 적층하여 나무와 강성 및 강도가 유사하고 가볍고 내구성이 우수한 스테인리스강 적층 침목 구조 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 온도변화 등에 의한 물성변화가 거의 없어 기계적 특성의 신뢰성이 장시간 보장되면서도 추후 재활용이 가능한 철도차량용 침목 구조 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

스테인리스강 판재를 절곡하여 제작되어 적층되는 복수의 절곡코어와, 상기 복수의 절곡코어 사이에 삽입되어 일체로 결합되는 스테인리스강 판재로 이루어지는 고정판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 스테인리스강 적층 침목 구조를 제공한다.

이때, 상기 스테인리스강 판재는 SS304, SS329LD, SS329LA, SS301L, LDSS(Lean Duplex Stainless steel) 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 절곡코어는 스테인리스강 판재를 절곡한 '∨' 형상의 절곡부가 연속으로 형성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 '∨' 형상의 절곡부의 절곡각과 길이 및 두께는 각각 30 ~ 60°, 30 ~ 60㎜, 1.5 ~ 4㎜인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 절곡코어는 단면이 사각 톱니 형태 또는 곡선형태의 웨이브(wave) 형상의 절곡부가 연속으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 절곡코어는 적층시 상부 및 하부에 순차적으로 위치하는 상부 및 하부 절곡코어를 서로 교차되게 배치한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 상부 및 하부 절곡코어는 90°로 직교하도록 배치한 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 절곡코어와 고정판은 니켈 기반의 페이스트를 사용한 브레이징 접착을 통해 일체로 접합한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은,

스테인리스강 판재를 절곡 및 재단하여 복수의 절곡코어 및 고정판을 제작하는 제1공정; 상기 복수의 고정판과 절곡코어를 교대로 적층하는 제2공정; 상기 복수의 고정판과 절곡코어를 일체로 접합하는 제3공정;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스테인리스강 적층 침목 제조방법도 제공한다.

이때, 상기 제2공정은, 복수의 절곡코어는 스테인리스강 판재를 절곡한 '∨' 형상의 절곡부가 연속으로 형성되어 이루어지며, 상기 복수의 절곡코어는 '∨' 형상의 절곡부가 교차되게 적층하는 공정인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제3공정은 상기 절곡코어와 고정판을 니켈 기반의 페이스트를 사용한 브레이징 접착을 통해 일체로 접합하는 공정인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 스테인리스강 적층 침목은 제작이 용이하고 탄성이 좋아 완충성이 뛰어난 목침목의 장점과 부식이 발생되지 않으므로 내구성이 뛰어난 PC침목의 장점을 모두 가지면서도 무게가 가벼워 설치 역시 용이하고, 눈,비 등에 장시간 노출되거나 수분의 변화가 많은 환경에 장시간 노출되더라도 온도변화 등에 의한 물성변화가 거의 없어 구조적인 안정성이 우수하여 기계적 특성의 신뢰성이 장시간 보장되는 장점이 있다.

아울러, 본 발명은 스테인리스강 적층 침목 제조시 절곡코어와 수평판을 니켈기반의 브레이징 페이스트를 사용해 접착함에 따라 원소재인 스테인리스강은 재활용도 가능하다.

도 1a는 일반적인 50여가지 수종에 대한 목재의 줄기방향 압축강성을 비교한 도면이다
도 1b는 일반적인 50여가지 수종에 대한 목재의 나이테/반지름 방향 압축강성을 비교한 도면이다.
도 2a는 일반적인 50여가지 수종에 대한 목재의 줄기방향 압축강도를 비교한 도면이다.
도 2b는 일반적인 50여가지 수종에 대한 목재의 나이테/반지름 방향 압축강도를 비교한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 스테인리스강 적층 침목의 설치 상태를 도시한 정면 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스테인리스강 적층 침목의 설치 상태를 도시한 측면 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 절곡코어와 수평판의 적층 구조를 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 절곡코어의 제작 과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 절곡코어와 수평판의 구조를 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 다른 실시예의 절곡코어와 수평판의 구조를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 절곡코어와 수평판의 구조를 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 스테인리스강 적층 침목 구조 및 그 제조 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 스테인리스강 적층 침목의 설치 상태를 도시한 정면 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 스테인리스강 적층 침목의 설치 상태를 도시한 측면 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 절곡코어와 수평판의 적층 구조를 설명하기 위해 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 절곡코어의 제작 과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 스테인리스강 적층 침목(100)은 선로의 레일(1) 하부를 지지하는 것으로, 레일클립(2)에 의해 레일(1)에 체결되는 것으로, 가벼우면서도 내부식성 및 내구성이 뛰어날 뿐만 아니라 재활용이 가능한 스테인레스 판재를 이용하여 제작된다.

이와 같은 본 발명에 따른 스테인리스강 적층 침목(100)은 설정된 크기 규격 및 요구조건에 맞도록 스테인리스강 판재를 절곡하여 제작되어 적층되는 복수의 절곡코어(bent corrugated core)(110)와, 상기 복수의 절곡코어(bent corrugated core)(110) 사이에 삽입되어 일체로 결합되는 스테인리스강 판재로 이루어지는 고정판(120)으로 이루어지며, 상기 절곡코어(bent corrugated core)(110)와 고정판(120)은 연속적으로 적층되어서 이루어진다.

이때, 상기 절곡코어(bent corrugated core)(110)와 고정판(120)의 재질은 동일하게 스테인리스강으로 이루어진다.

이하, 본 발명의 침목의 각부 상세히 설명한다.

먼저, 상기 절곡코어(bent corrugated core)(110)는 SS304, SS329LD, SS329LA, SS301L, LDSS(Lean Duplex Stainless steel)등의 스테인리스강 판재를 이용하여 제작된다.

이때, 상기 절곡코어(110)는 일 예로 1.5 ~ 4㎜의 두께를 갖는 스테인리스강 판재를 절곡한 '∨' 형상의 절곡부(112)가 연속으로 연장되게 형성되는 쉐브론 형상으로 이루어진다.

이와 같은 절곡코어(110)는 여러 층으로 적층되게 구비되는 것으로 적어도 4층 이상 적층됨이 바람직하다.

물론, 상기 절곡코어(110)는 단면이 V자 형상의 절곡부(112)를 대신하여 단면이 곡선형태의 웨이브(wave) 형상으로 이루어지거나 사각 톱니 형태로 이루어질 수 있다.

이와 같은 절곡코어(110)는 적층시에 상부 및 하부에 순차적으로 위치하는 상부 및 하부 절곡코어(110a,110b)는 서로 교차되게 연속적으로 배치하여 기계적 특성의 이방성을 줄여준다.

특히, 상기 상부 및 하부 절곡코어(110a,110b)의 설치 방향이 90°로 직교하도록 엇갈리게 배치함으로서 기계적 특성의 이방성을 최소화함이 바람직하다.

이 경우 상기 절곡코어(110)는 복수를 동일한 사이즈로 제작하여 사용한다.

한편, 상기 절곡코어(110)는 적층된 구조를 이루지만, 복수의 절곡코어(110a,110b)들이 직접 밀착되는 구조를 채용하지 않고, 절곡코어(110a,110b)들 사이에 스테인리스강 재질의 고정판(120)을 설치한다.

상기 고정판(120)은 상기 절곡코어(110)의 재질과 동일하게 SS304, SS329LD, SS329LA, SS301L, LDSS(Lean Duplex Stainless steel)등의 스테인리스강 판재로 제작되며 평평한 구조로 이루어지므로 제작된 절곡코어(110)의 면적과 동일한 면적을 갖도록 재단한다.

이때, 상기 고정판(120)은 일 예로 1.5 ~ 4㎜의 두께를 갖는 판재로 이루어진다.

여기서, 상기 고정판(120)의 두께가 1.5㎜ 이하이면, 적정한 침목의 강도를 유지하기 위해서는 적층 높이가 너무 커지게 되고, 고정판(120)의 두께가 4㎜이상이면 강도가 불필요하게 커져 경제성이 저하되게 된다.

이와 같은 절곡코어(110)와 고정판(120)은 다양한 방식으로 접합할 수 있지만, 니켈 기반의 페이스트를 사용한 브레이징 접착을 통해 일체로 접합하며 이를 통해 원소재인 스테인리스강의 재활용이 가능하다.

한편, 도 6은 상기 절곡코어(110)의 제작 과정을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 이에 의하면 절곡코어(110)는 예를 들어 1.5 ~ 4㎜의 일정 두께를 갖는 스테인리스강 판재(10)가 권취된 롤(20)에서 스테인리스강 판재(10)를 일정 속도(rate)로 30 ~ 60°의 굽힘각을 가지는 상부 및 하부 금형(210,220)이 구비되는 프레스장치(200)로 공급하여 단면이 '∨' 형상의 절곡부(112)를 연속으로 형성한다.

이때, 상기 '∨' 형상의 절곡부(112)를 형성할 수 있도록 상기 상부 금형(210)은 유압실린더에 의해 승강가능하게 구비되는 것으로 하단에 성형돌부(212)가 돌출 형성되며, 상기 하부 금형(220)은 고정형으로 상면에 상기 성형돌부(212)가 밀착가능한 성형홈(222)이 형성된다.

이 같은 구조에 의하면 상기 롤(20)에서 공급되는 스테인리스강 판재(10)가 프레스장치(200)의 하부 금형(220) 상면으로 안내되면 상부 금형(210)을 하강시켜 스테인리스강 판재(10)를 가압하여 '∨' 형상의 절곡부(112)를 형성한 후 상부 금형(210)을 상승시킨다.

이후 다시 스테인리스강 판재(10)를 프레스장치(200)의 하부 금형(220) 상면으로 설정된 길이만큼 이동시켜 '∨' 형상의 절곡부(112)를 형성하는 과정을 반복하여 연속적으로 '∨' 형상의 절곡부(112)를 형성하게 하고 설정된 길이로 재단하여 절곡코어(110)를 완성한다.

이와 같이 제작된 절곡코어(110)는 고정판(120)의 상부에 위치시키고 니켈기반의 페이스트를 사용한 브레이징 작업을 실시하여 고정판(120)과 절곡코어(110)를 일체로 접합한다.

물론, 상기 절곡코어(110)의 상부에는 다른 고정판(120)을 위치시키고 니켈기반의 페이스트를 사용한 브레이징 작업을 실시하여 고정판(120)과 절곡코어(110)를 일체로 접합하며, 이상과 같이 고정판(120)과 절곡코어(110)을 순차적으로 적층하는 일련의 과정을 거쳐 스테인리스강 적층 침목(100)을 제작한다.

이 경우 상기 절곡코어(110)는 복수를 적층시에 '∨' 형상의 절곡부(112)가 직교되게 배치한다.

한편, 도 7을 참고하면 본 발명에 따른 스테인리스강 적층 침목(100)은 사용 환경과 장소에 따라 기계적 요구조건이 다를 수 있기 때문에 절곡코어(110)의 '∨' 형상의 절곡부(112)의 절곡각(w)과 길이(l) 및 두께(t)와, 고정판(120)의 두께(h) 등을 조절하여 그에 따른 기계적 요구조건을 만족시킬 수 있다.

참고로, 이론적인 면외압축강성과 면외압축강도는 절곡코어의 형상을 삼각형으로 가정할 경우 아래와 같은 식을 사용하여 설계에 응용이 가능하지만, 치수의 불균일도에 따라 영향을 받을 수 있으므로 이를 고려해 설계함이 바람직하다.

이 경우 스테인리스강 재질의 절곡코어(110)의 치수는 유사한 목재의 면외압축강도와 면외압축강성을 모사하여야 하므로 절곡코어(110)의 '∨' 형상의 절곡부(112)의 절곡각(w)과 절곡부(112)의 일측변의 길이(l) 및 절곡부(112)를 형성하는 판재의 두께(t)는 각각 30 ~ 60°, 30 ~ 60㎜, 1.5 ~ 4㎜의 설계값을 갖도록 한다.

여기서, 상기 절곡코어(110)의 두께가 1.5㎜ 이하이면, 적정한 침목의 강도를 유지하기 위해서는 적층 높이가 너무 커지게 되고, 고정판(120)의 두께가 4㎜이상이면 강도가 불필요하게 커져 경제성이 저하되게 된다.

그리고, 상기 절곡코어(110)는 도 8과 같이 사각톱니 형상이 연속된 절곡코어(110')로 구성하거나, 도 9와 같이 웨이브 형상이 연속된 형상의 절곡코어(110")로 구성하는 등 다양한 형상으로 형성할 수 있음은 물론이다.

한편, 위에서 설명한 스테인리스강 적층 침목의 제조방법을 정리해 보면, 기본적으로 스테인리스강 판재(10)를 절곡 및 재단하여 복수의 절곡코어(110) 및 고정판(120)을 제작하는 제1공정과 상기 복수의 고정판(120)과 절곡코어(110)를 교대로 적층하는 제2공정과 상기 복수의 고정판(120)과 절곡코어(110)를 일체로 접합하는 제3공정으로 구성된다.

여기서, 상기 복수의 고정판(120)과 절곡코어(110)를 교대로 적층하는 제2공정은, 복수의 절곡코어(110)는 스테인리스강 판재(10)를 절곡한 '∨' 형상의 절곡부(112)가 연속으로 형성되어 이루어지며, 상기 복수의 절곡코어(110)는 '∨' 형상의 절곡부(112)가 교차되게 적층한다.

그리고, 상기 복수의 고정판(120)과 절곡코어(110)를 일체로 접합하는 제3공정은 상기 절곡코어(110)와 고정판(120)을 니켈 기반의 페이스트를 사용한 브레이징 접착을 통해 일체로 접합한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 스테인리스강 판재 20: 롤
100: 침목 110: 절곡코어
112: 절곡부 120: 고정판
200: 프레스장치 210: 상부 금형
212: 성형돌부 220: 하부 금형
222: 성형홈

Claims (11)

1. 스테인리스강 판재를 절곡하여 제작되어 상하로 적층되는 복수의 절곡코어와, 상기 복수의 절곡코어 사이에 삽입되어 일체로 결합되는 스테인리스강 판재로 이루어지는 고정판으로 이루어지고,
   상기 절곡코어는 스테인리스강 판재를 상하 방향으로 절곡한 '∨' 형상의 절곡부가 연속으로 형성되며,
   상기 '∨' 형상의 절곡부의 절곡각(w)과 절곡부의 일측변의 길이(l) 및 절곡부를 형성하는 판재의 두께(t)는 각각 30 ~ 60°, 30 ~ 60㎜, 1.5 ~ 4㎜로 이루어지고,
   상기 절곡코어는 적층시 상부 및 하부에 순차적으로 위치하는 상부 및 하부 절곡코어를 서로 교차되게 배치하며,
   상기 상부 및 하부 절곡코어는 90°로 직교하도록 배치하며,
   상기 절곡코어와 고정판은 니켈 기반의 페이스트를 사용한 브레이징 접착을 통해 일체로 접합하고,
   상기 스테인리스강 판재는 SS304, SS329LD, SS329LA, SS301L, LDSS(Lean Duplex Stainless steel) 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스테인리스강 적층 침목 구조.
   
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